بر اساس فناوری کوره رشد تک کریستال کاربید سیلیکون 8 اینچی

کاربید سیلیکون یکی از مواد ایده آل برای ساخت دستگاه های با دمای بالا، فرکانس بالا، توان بالا و ولتاژ بالا است. به منظور بهبود راندمان تولید و کاهش هزینه ها، تهیه بسترهای کاربید سیلیکون با اندازه بزرگ یک جهت توسعه مهم است. با هدف نیازهای فرآیندرشد تک کریستالی 8 اینچی کاربید سیلیکون (SIC).مکانیسم رشد روش حمل و نقل بخار فیزیکی کاربید سیلیکون (PVT) تجزیه و تحلیل شد، سیستم گرمایش (حلقه راهنمای TaC، بوته پوشش دار TaC،حلقه های با پوشش TaCصفحه پوشش دار TaC، حلقه سه گلبرگ با پوشش TaC، بوته سه گلبرگ با پوشش TaC، نگهدارنده پوشش دار TaC، گرافیت متخلخل، نمد نرم، محفظه رشد کریستالی با پوشش سی سی و سایر مواردقطعات یدکی فرآیند رشد تک کریستال SiCتوسط VeTek Semiconductor ارائه شده است)، چرخش بوته و فناوری کنترل پارامتر فرآیند کوره رشد تک کریستال کاربید سیلیکون مورد مطالعه قرار گرفت و کریستال‌های 8 اینچی با موفقیت آماده شدند و از طریق شبیه‌سازی میدان حرارتی و آزمایش‌های فرآیند رشد کردند.

0 مقدمه

کاربید سیلیکون (SiC) یک نماینده معمولی از مواد نیمه هادی نسل سوم است. دارای مزایای عملکردی مانند عرض باند بزرگتر، میدان الکتریکی شکست بالاتر و هدایت حرارتی بالاتر است. عملکرد خوبی در زمینه های دمای بالا، فشار بالا و فرکانس بالا دارد و به یکی از مسیرهای اصلی توسعه در زمینه فناوری مواد نیمه هادی تبدیل شده است. طیف گسترده ای از نیازهای کاربردی در وسایل نقلیه انرژی جدید، تولید برق فتوولتائیک، حمل و نقل ریلی، شبکه هوشمند، ارتباطات 5G، ماهواره ها، رادارها و سایر زمینه ها دارد. در حال حاضر، رشد صنعتی کریستال‌های کاربید سیلیکون عمدتاً از حمل‌ونقل بخار فیزیکی (PVT) استفاده می‌کند که شامل مشکلات جفت میدان چندگانه پیچیده چند فازی، چند جزئی، انتقال حرارت و جرم چندگانه و برهمکنش جریان حرارت مغناطیسی-الکتریک است. بنابراین، طراحی سیستم رشد PVT دشوار است و اندازه‌گیری و کنترل پارامترهای فرآیند در طول انجام می‌شودفرآیند رشد کریستالمشکل است، و در نتیجه کنترل عیوب کیفیت کریستال های کاربید سیلیکون رشد یافته و اندازه کریستال کوچک مشکل است، به طوری که هزینه دستگاه های دارای کاربید سیلیکون به عنوان بستر بالا باقی می ماند.

تجهیزات تولید کاربید سیلیکون پایه و اساس فناوری کاربید سیلیکون و توسعه صنعتی است. سطح فنی، قابلیت فرآیند و ضمانت مستقل کوره رشد تک کریستال کاربید سیلیکون کلید توسعه مواد کاربید سیلیکون در جهت اندازه بزرگ و بازده بالا است و همچنین از عوامل اصلی سوق دهنده صنعت نیمه هادی نسل سوم است. توسعه در جهت کم هزینه و در مقیاس بزرگ. در حال حاضر، توسعه دستگاه‌های کاربید سیلیکون با ولتاژ بالا، توان بالا و فرکانس بالا پیشرفت قابل توجهی داشته است، اما راندمان تولید و هزینه آماده‌سازی دستگاه‌ها به عامل مهمی برای محدود کردن توسعه آنها تبدیل خواهد شد. در دستگاه های نیمه هادی با تک کریستال کاربید سیلیکون به عنوان بستر، ارزش بستر بیشترین سهم را دارد، حدود 50%. توسعه تجهیزات رشد کریستال کاربید سیلیکون با کیفیت بالا، بهبود بازده و نرخ رشد بسترهای تک کریستال کاربید سیلیکون و کاهش هزینه‌های تولید از اهمیت کلیدی در کاربرد دستگاه‌های مرتبط است. به منظور افزایش عرضه ظرفیت تولید و کاهش بیشتر هزینه متوسط ​​دستگاه‌های کاربید سیلیکون، گسترش سایز بسترهای کاربید سیلیکون یکی از راه‌های مهم است. در حال حاضر، اندازه زیرلایه کاربید سیلیکون جریان اصلی بین‌المللی 6 اینچ است و به سرعت به 8 اینچ رسیده است.

فن آوری های اصلی که باید در توسعه کوره های رشد تک کریستال کاربید سیلیکون 8 اینچی حل شوند عبارتند از: 1) طراحی ساختار میدان حرارتی با اندازه بزرگ برای به دست آوردن یک گرادیان دمای شعاعی کوچکتر و یک گرادیان دمای طولی بزرگتر مناسب برای رشد. از کریستال های کاربید سیلیکون 8 اینچی. 2) چرخش بوته سایز بزرگ و مکانیسم حرکت بلند کردن و پایین آوردن بوته، به طوری که بوته در طول فرآیند رشد کریستال می چرخد ​​و نسبت به سیم پیچ مطابق با الزامات فرآیند حرکت می کند تا از قوام کریستال 8 اینچی اطمینان حاصل کند و رشد و ضخامت را تسهیل کند. . 3) کنترل خودکار پارامترهای فرآیند تحت شرایط دینامیکی که نیازهای فرآیند رشد تک کریستال با کیفیت بالا را برآورده می کند.

1 مکانیسم رشد کریستال PVT

روش PVT برای تهیه تک کریستال های کاربید سیلیکون با قرار دادن منبع SiC در پایین یک بوته گرافیتی متراکم استوانه ای است و کریستال دانه SiC در نزدیکی پوشش بوته قرار می گیرد. بوته با القای فرکانس رادیویی یا مقاومت تا دمای 2300 ~ 2400 ℃ گرم می شود و توسط نمد گرافیتی یا عایق می شود.گرافیت متخلخل. مواد اصلی که از منبع SiC به کریستال دانه منتقل می شوند، مولکول های Si، Si2C و SiC2 هستند. دمای کریستال بذر کمی کمتر از میکروپودر پایین‌تر کنترل می‌شود و یک گرادیان درجه حرارت محوری در بوته تشکیل می‌شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ریز پودر سیلیکون کاربید در دمای بالا تصعید می شود تا گازهای واکنشی از اجزای مختلف فاز گاز را تشکیل دهد که با دمای پایین تری به کریستال بذر می رسد و تحت فشار گرادیان دما بر روی آن متبلور می شود و یک استوانه شکل می گیرد. شمش کاربید سیلیکون

واکنش های شیمیایی اصلی رشد PVT عبارتند از:

SiC(s)⇌Si(g)+C(s) (1)

2SiC⇌Si2C(g)+C(s) (2)

2SiC⇌SiC2(g)+Si(l,g) (3)

SiC(ها)⇌SiC(g) (4)

ویژگی های رشد PVT تک بلورهای SiC عبارتند از:

1) دو رابط گاز و جامد وجود دارد: یکی رابط پودر گاز-SiC و دیگری رابط گاز-کریستال است.

2) فاز گاز از دو نوع ماده تشکیل شده است: یکی مولکول های بی اثر وارد شده به سیستم. دیگری جزء فاز گاز SimCn است که از تجزیه و تصعید تولید می شودپودر SiC. اجزای فاز گاز SimCn با یکدیگر تعامل دارند و بخشی از به اصطلاح اجزای فاز گاز کریستالی SimCn که الزامات فرآیند تبلور را برآورده می‌کند به کریستال SiC تبدیل می‌شود.

3) در پودر کاربید سیلیکون جامد، واکنش های فاز جامد بین ذراتی که تصعید نشده اند رخ می دهد، از جمله برخی از ذرات تشکیل دهنده اجسام سرامیکی متخلخل از طریق تف جوشی، برخی از ذرات تشکیل دانه هایی با اندازه ذرات معین و مورفولوژی کریستالوگرافی از طریق واکنش های کریستالیزاسیون، و برخی دیگر. تبدیل ذرات کاربید سیلیکون به ذرات غنی از کربن یا ذرات کربن به دلیل تجزیه و تصعید غیر استوکیومتری.

4) در طول فرآیند رشد کریستال، دو تغییر فاز رخ می دهد: یکی اینکه ذرات جامد پودر کاربید سیلیکون از طریق تجزیه و تصعید غیر استوکیومتری به اجزای فاز گاز SimCn تبدیل می شوند و دیگری اینکه اجزای فاز گاز SimCn تبدیل می شوند. از طریق تبلور به ذرات شبکه تبدیل می شود.

2 طراحی تجهیزات همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، کوره رشد تک کریستال کاربید سیلیکون عمدتاً شامل: مجموعه پوشش بالایی، مونتاژ محفظه، سیستم گرمایش، مکانیسم چرخش بوته، مکانیسم بلند کردن پوشش پایینی، و سیستم کنترل الکتریکی است.

2.1 سیستم گرمایش همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، سیستم گرمایش از گرمایش القایی استفاده می کند و از یک سیم پیچ القایی تشکیل شده است.بوته گرافیتییک لایه عایق (نمد سفت و سخت, نمد نرمهنگامی که جریان متناوب فرکانس متوسط ​​از سیم پیچ القایی چند چرخشی که قسمت بیرونی بوته گرافیتی را احاطه کرده است عبور می کند، یک میدان مغناطیسی القایی با همان فرکانس در بوته گرافیتی ایجاد می شود که نیروی محرکه الکتریکی القایی ایجاد می کند. از آنجایی که مواد بوته گرافیتی با خلوص بالا رسانایی خوبی دارند، یک جریان القایی بر روی دیواره بوته ایجاد می شود و جریان گردابی را تشکیل می دهد. تحت تأثیر نیروی لورنتس، جریان القایی در نهایت بر روی دیواره بیرونی بوته (یعنی اثر پوستی) همگرا می شود و به تدریج در جهت شعاعی ضعیف می شود. به دلیل وجود جریان های گردابی، گرمای ژول بر روی دیواره بیرونی بوته تولید می شود و به منبع گرمایش سیستم رشد تبدیل می شود. اندازه و توزیع گرمای ژول مستقیماً میدان دما را در بوته تعیین می کند که به نوبه خود بر رشد کریستال تأثیر می گذارد.

همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، سیم پیچ القایی بخش کلیدی سیستم گرمایش است. این دو مجموعه از ساختارهای سیم پیچ مستقل را اتخاذ می کند و به ترتیب به مکانیسم های حرکتی با دقت بالا و پایین مجهز شده است. بیشتر اتلاف حرارت الکتریکی کل سیستم گرمایشی توسط سیم پیچ تحمل می شود و باید سرمایش اجباری انجام شود. سیم پیچ با یک لوله مسی پیچیده شده و توسط آب داخل آن خنک می شود. محدوده فرکانس جریان القایی 8 تا 12 کیلوهرتز است. فرکانس گرمایش القایی عمق نفوذ میدان الکترومغناطیسی را در بوته گرافیتی تعیین می کند. مکانیزم حرکت سیم پیچ از مکانیزم جفت پیچ موتوری استفاده می کند. سیم پیچ القایی با منبع تغذیه القایی برای گرم کردن بوته گرافیتی داخلی برای دستیابی به تصعید پودر همکاری می کند. در همان زمان، قدرت و موقعیت نسبی دو مجموعه کویل کنترل می شود تا دما در کریستال دانه کمتر از میکروپودر پایین تر باشد، و یک گرادیان دمای محوری بین کریستال دانه و پودر در دانه تشکیل می شود. بوته، و تشکیل یک گرادیان دمای شعاعی معقول در کریستال کاربید سیلیکون.

2.2 مکانیسم چرخش بوته در طول رشد سایز بزرگتک کریستال های کاربید سیلیکون، بوته در محیط خلاء حفره مطابق با الزامات فرآیند در حال چرخش نگه داشته می شود و میدان حرارتی گرادیان و حالت فشار کم در حفره باید ثابت نگه داشته شوند. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، برای دستیابی به چرخش پایدار بوته از یک جفت دنده موتور محرک استفاده می شود. یک ساختار آب بندی سیال مغناطیسی برای دستیابی به آب بندی دینامیکی شفت دوار استفاده می شود. مهر و موم سیال مغناطیسی از یک مدار میدان مغناطیسی دوار تشکیل شده بین آهنربا، کفشک قطب مغناطیسی و آستین مغناطیسی برای جذب محکم مایع مغناطیسی بین نوک کفشک و آستین استفاده می کند تا یک حلقه سیال O-ring شکل بگیرد و کاملا مسدود شود. شکاف برای رسیدن به هدف از آب بندی. هنگامی که حرکت چرخشی از اتمسفر به محفظه خلاء منتقل می شود، از دستگاه آب بندی دینامیک O-ring مایع برای غلبه بر مضرات سایش آسان و عمر کم در آب بندی جامد استفاده می شود و سیال مغناطیسی مایع می تواند کل فضای مهر و موم شده را پر کند. بدین ترتیب تمام کانال هایی که می توانند هوا نشت کنند مسدود می شود و در دو فرآیند حرکت و توقف بوته نشتی صفر می شود. سیال مغناطیسی و پشتیبانی بوته یک ساختار خنک کننده آب را برای اطمینان از کاربرد بالای سیال مغناطیسی و پشتیبانی از بوته و دستیابی به پایداری حالت میدان حرارتی اتخاذ می کند.

2.3 مکانیسم بالابر پوشش پایین

مکانیزم بالابر پوشش پایین شامل یک موتور محرک، یک بال اسکرو، یک راهنمای خطی، یک براکت بالابر، یک پوشش کوره و یک براکت پوشش کوره است. موتور براکت پوشش کوره متصل به جفت راهنمای پیچ را از طریق یک کاهنده به حرکت در می آورد تا حرکت بالا و پایین پوشش پایین را درک کند.

مکانیزم بالابر پوشش پایین، قرار دادن و حذف بوته های با اندازه بزرگ را تسهیل می کند و مهمتر از آن، اطمینان آب بندی پوشش پایین کوره را تضمین می کند. در طول کل فرآیند، محفظه دارای مراحل تغییر فشار مانند خلاء، فشار بالا و فشار پایین است. حالت فشرده سازی و آب بندی پوشش پایین به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان فرآیند تأثیر می گذارد. هنگامی که مهر و موم در دمای بالا شکست می خورد، کل فرآیند از بین می رود. از طریق دستگاه کنترل سروو موتور و محدود کننده، سفتی مجموعه پوشش پایین و محفظه برای دستیابی به بهترین حالت فشرده سازی و آب بندی حلقه آب بندی محفظه کوره کنترل می شود تا از ثبات فشار فرآیند اطمینان حاصل شود، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. .

2.4 سیستم کنترل الکتریکی در طول رشد کریستال های کاربید سیلیکون، سیستم کنترل الکتریکی نیاز به کنترل دقیق پارامترهای فرآیند مختلف دارد، به طور عمده شامل ارتفاع موقعیت سیم پیچ، سرعت چرخش بوته، قدرت گرمایش و دما، جریان ورودی گاز ویژه مختلف، و بازشو شیر تناسبی

همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، سیستم کنترل از یک کنترل کننده قابل برنامه ریزی به عنوان سرور استفاده می کند که از طریق گذرگاه به درایور سروو متصل می شود تا کنترل حرکت سیم پیچ و بوته را درک کند. از طریق MobusRTU استاندارد به کنترل‌کننده دما و کنترل‌کننده جریان متصل می‌شود تا کنترل لحظه‌ای دما، فشار و جریان گاز فرآیند ویژه را انجام دهد. از طریق اترنت با نرم افزار پیکربندی ارتباط برقرار می کند، اطلاعات سیستم را به صورت بلادرنگ مبادله می کند و اطلاعات پارامترهای مختلف فرآیند را بر روی کامپیوتر میزبان نمایش می دهد. اپراتورها، پرسنل پردازش و مدیران از طریق رابط انسان و ماشین با سیستم کنترل تبادل اطلاعات می کنند.

سیستم کنترل تمام جمع آوری داده های میدانی، تجزیه و تحلیل وضعیت عملکرد همه محرک ها و رابطه منطقی بین مکانیزم ها را انجام می دهد. کنترل کننده قابل برنامه ریزی دستورالعمل های کامپیوتر میزبان را دریافت می کند و کنترل هر یک از محرک های سیستم را کامل می کند. استراتژی اجرا و ایمنی منوی فرآیند خودکار همگی توسط کنترلر قابل برنامه ریزی اجرا می شوند. پایداری کنترل کننده قابل برنامه ریزی، پایداری و اطمینان ایمنی عملیات منوی فرآیند را تضمین می کند.

پیکربندی بالا تبادل داده با کنترل کننده قابل برنامه ریزی را در زمان واقعی حفظ می کند و داده های میدانی را نمایش می دهد. مجهز به رابط های عملیاتی مانند کنترل گرمایش، کنترل فشار، کنترل مدار گاز و کنترل موتور است و مقادیر تنظیم پارامترهای مختلف را می توان روی رابط تغییر داد. نظارت بر زمان واقعی پارامترهای آلارم، ارائه نمایش آلارم صفحه نمایش، ثبت زمان و اطلاعات دقیق وقوع و بازیابی زنگ هشدار. ضبط بی‌درنگ تمام داده‌های فرآیند، محتوای عملکرد صفحه و زمان عملیات. کنترل ادغام پارامترهای مختلف فرآیند از طریق کد زیرین داخل کنترلر قابل برنامه ریزی محقق می شود و حداکثر 100 مرحله فرآیند را می توان تحقق بخشید. هر مرحله شامل بیش از دوازده پارامتر فرآیند مانند زمان عملیات فرآیند، توان هدف، فشار هدف، جریان آرگون، جریان نیتروژن، جریان هیدروژن، موقعیت بوته و نرخ بوته است.

3 تجزیه و تحلیل شبیه سازی میدان حرارتی

مدل تحلیل شبیه‌سازی میدان حرارتی ایجاد شده است. شکل 8 نقشه ابر دما در محفظه رشد بوته است. برای اطمینان از محدوده دمای رشد تک کریستال 4H-SiC، دمای مرکز کریستال دانه 2200 درجه سانتیگراد و دمای لبه 2205.4 درجه سانتیگراد محاسبه می شود. در این زمان، دمای مرکزی بالای بوته 2167.5 درجه سانتیگراد و بالاترین دمای ناحیه پودر (سمت پایین) 2274.4 درجه سانتیگراد است که یک گرادیان درجه حرارت محوری را تشکیل می دهد.

توزیع گرادیان شعاعی کریستال در شکل 9 نشان داده شده است. گرادیان دمای جانبی پایین سطح کریستال دانه می تواند به طور موثر شکل رشد کریستال را بهبود بخشد. اختلاف دمای اولیه محاسبه شده فعلی 5.4 درجه سانتیگراد است و شکل کلی تقریباً صاف و کمی محدب است که می تواند دقت کنترل دمای شعاعی و الزامات یکنواختی سطح کریستال دانه را برآورده کند.

منحنی اختلاف دما بین سطح ماده خام و سطح کریستال بذر در شکل 10 نشان داده شده است. دمای مرکزی سطح ماده 2210 درجه سانتیگراد است و یک گرادیان دمایی طولی 1℃/cm بین سطح ماده و دانه تشکیل شده است. سطح کریستالی که در محدوده معقولی قرار دارد.

نرخ رشد تخمین زده شده در شکل 11 نشان داده شده است. سرعت رشد خیلی سریع می تواند احتمال نقص هایی مانند چندشکلی و دررفتگی را افزایش دهد. نرخ رشد تخمینی فعلی نزدیک به 0.1 میلی متر در ساعت است که در محدوده معقولی قرار دارد.

از طریق تجزیه و تحلیل و محاسبه شبیه‌سازی میدان حرارتی، مشخص شد که دمای مرکز و دمای لبه کریستال دانه با گرادیان دمای شعاعی کریستال 8 اینچی مطابقت دارد. در همان زمان، بالا و پایین بوته یک گرادیان درجه حرارت محوری مناسب برای طول و ضخامت کریستال تشکیل می دهد. روش گرمایش فعلی سیستم رشد می تواند رشد تک کریستال های 8 اینچی را برآورده کند.

4 آزمون آزمایشی

با استفاده از اینکوره رشد تک کریستال کاربید سیلیکونبر اساس گرادیان دمایی شبیه‌سازی میدان حرارتی، با تنظیم پارامترهایی مانند دمای بالای بوته، فشار حفره، سرعت چرخش بوته و موقعیت نسبی سیم‌پیچ‌های بالایی و پایینی، آزمایش رشد کریستال کاربید سیلیکون انجام شد. و یک کریستال کاربید سیلیکون 8 اینچی به دست آمد (همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است).

5 نتیجه گیری

فن‌آوری‌های کلیدی برای رشد تک کریستال‌های کاربید سیلیکون 8 اینچی، مانند میدان حرارتی گرادیان، مکانیسم حرکت بوته، و کنترل خودکار پارامترهای فرآیند، مورد مطالعه قرار گرفتند. میدان حرارتی در محفظه رشد بوته شبیه سازی و تجزیه و تحلیل شد تا گرادیان دمای ایده آل به دست آید. پس از آزمایش، روش گرمایش القایی دو سیم پیچ می تواند رشد سایز بزرگ را برآورده کندکریستال های کاربید سیلیکون. تحقیق و توسعه این فناوری فناوری تجهیزاتی را برای به دست آوردن کریستال های کاربید 8 اینچی فراهم می کند و پایه تجهیزاتی را برای انتقال صنعتی شدن کاربید سیلیکون از 6 اینچ به 8 اینچ فراهم می کند و راندمان رشد مواد کاربید سیلیکون را بهبود می بخشد و هزینه ها را کاهش می دهد.